Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОЧЕВИНЫ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу получения мочевины и установке для его осуществления. Изобретение касается также способа модернизации действующей установки для получения мочевины.

Уровень техники

В соответствии с известным уровнем техники мочевину получают путем осуществления реакции жидкого аммиака с газообразным диоксидом углерода (СО₂) в реакторе высокого давления, как правило, представляющем собой вертикальный аппарат из нержавеющей стали, содержащий ряд тарелок для улучшения перемешивания реагентов. В реакторе высокого давления в жидкой фазе в виде промежуточного продукта образуется карбамат аммония и в результате дегидратации вышеуказанного карбамата аммония также в жидкой фазе получают мочевину. Выходящий из реактора продукт по существу представляет собой водный раствор, содержащий мочевину, карбамат и свободный аммиак.

В общих чертах установка мочевины включает секцию синтеза и секцию извлечения (мочевины). Секция извлечения получает жидкую смесь мочевины, карбамата, аммиака и воды из секции синтеза и обеспечивает подачу в секцию синтеза водного раствора рециркулирующего карбамата и аммиака. На стороне выхода секции извлечения может быть также предусмотрена секция окончательной обработки или очистки мочевины.

На большей части современных установок для получения мочевины используют так называемый способ с отпаркой, предназначенный для извлечения максимального количества карбамата, содержащегося в водном растворе, выходящем из реактора высокого давления (ВД), в так называемом контуре высокого давления (т.е. под давлением, по существу равным рабочему давлению реактора), таким образом повышая энергоэффективность.

Способы с отпаркой известны десятки лет и в основном включают способ с отпаркой диоксидом углерода (СО₂) и способ с отпаркой аммиаком (или самоотпаркой). Для осуществления способа с отпаркой секция синтеза ВД включает по меньшей мере один реактор, один отпарной аппарат и один конденсатор.

В способе с отпаркой с использованием СО₂ карбамат аммония отпаривают из раствора мочевины с помощью подачи свежего диоксида углерода. Обычно отпарка осуществляется в вертикальном трубчатом теплообменнике с паровым обогревом, в котором происходит разложение непревращенного карбамата на газообразный аммиак и диоксид углерода, которые затем рекомбинируют в конденсаторе, получая жидкий карбамат. Жидкий карбамат рециркулирует в реактор. Теплоту конденсации также используют для получения пара низкого давления, который используется в расположенной вниз по потоку секции очистки, минимизируя таким образом энергопотребление.

В способе с самоотпаркой отпарка осуществляется газообразным аммиаком, образующимся в результате термической диссоциации раствора карбамата, полученного в реакторе; таким образом, реагент (средство) для отпарки не требуется, а исходный газообразный диоксид углерода обычно вводят непосредственно в реактор.

На фиг.7 представлена упрощенная схема контура высокого давления для осуществления известного способа с отпаркой аммиаком (или самоотпаркой).

Контур ВД в основном включает реактор 10, отпарной аппарат 11 и кожухотрубный конденсатор 12. В реакторе 10 происходит реакция синтеза мочевины с получением жидкой смеси мочевины, карбамата и аммиака, которую по трубопроводу 20 подают в отпарной аппарат 11. Отпарной аппарат 11 представляет собой, например, вертикальный трубчатый теплообменник с паровым обогревом с текущей по трубам вышеуказанной жидкой смесью.

Жидкую фазу, полученную в отпарном аппарате 11, по трубопроводу 21 подают в секцию извлечения и очистки (не показана), в то время как пары, выходящие из отпарного аппарата, по трубопроводу 22 направляют в конденсатор 12. Рециркулирующий карбамат, поступающий из секции извлечения, по трубопроводу 23 также подают в конденсатор 12, а образовавшуюся в конденсаторе 12 жидкость, содержащую рецикловый карбамат, направляют в реактор 10.

При более подробном рассмотрении жидкость, полученную в конденсаторе 12, которая содержит некоторое количество инертных газов, направляют в сепаратор 13 для удаления вышеуказанных инертных газов, а жидкую фазу по трубопроводам 24 и 25, соответственно, подают в эжектор 14. В эжектор 14 подают исходный свежий аммиак из трубопровода 15, для того чтобы по трубопроводу 26 направить свежий аммиак и рециркулирующий карбамат в реактор 10.

Диоксид углерода подают в реактор 10 по нагнетательному трубопроводу 16 с помощью многоступенчатого компрессора 17, предназначенного для повышения давления диоксида углерода до рабочего давления в контуре синтеза (более 100 бар).

Согласно вышеизложенному, в реактор 10 предусмотрен ввод жидкого аммиака посредством эжектора 14 и трубопровода 26, в то время как в тот же реактор 10 обеспечен ввод газообразного CO₂ посредством компрессора 17 и трубопровода 16.

На установке с отпаркой с использованием CO₂ газообразный диоксид углерода подают посредством многоступенчатого компрессора не в реактор, а в отпарной аппарат. СО₂ действует как средство для отпарки, которое вызывает разложение карбамата и частичное выделение свободного аммиака. Газообразную фазу, выходящую из отпарного аппарата, направляют в конденсатор, в котором получают водный раствор и поток пара, включая рециркулирующий карбамат, а также исходный аммиак и диоксид углерода, которые подают в реактор.

В вышеописанные конфигурации установки могут быть внесены многочисленные изменения, однако в соответствии с известным уровнем техники диоксид углерода всегда подают в отпарной аппарат или реактор секции синтеза в газообразном состоянии. Иначе говоря, в соответствии с известным уровнем техники следует обеспечить подачу газообразного диоксида углерода в секцию синтеза, т.е. в отпарной аппарат установки с использованием СО₂ для отпарки или в сам реактор установки с самоотпаркой.

Раскрытие изобретения

В основу настоящего изобретения положена задача повышения энергоэффективности известного способа и установки для получения мочевины. Фактически, энергоэффективность снижают различные устройства и (или) вспомогательное оборудование, потребляющее электроэнергию, и, в частности, многоступенчатый компрессор для газообразного СО₂.

Основная идея, лежащая в основе изобретения, заключается в том, что по меньшей мере часть диоксида углерода подают в секцию синтеза в жидкой фазе.

Таким образом, вышеуказанная проблема решена с помощью способа получения мочевины, при осуществлении которого жидкий аммиак и диоксид углерода поступают в секцию синтеза и взаимодействуют в этой секции для образования мочевины, отличающегося тем, что по меньшей мере часть диоксида углерода подают в секцию синтеза в жидкой фазе.

В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения часть диоксида углерода подают в секцию синтеза в жидкой фазе, а остальную часть диоксида углерода подают в газообразной фазе.

В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения весь диоксид углерода подают в секцию синтеза в жидкой фазе, а подача газообразного СО₂ в секцию синтеза не предусмотрена. Этот второй вариант осуществления изобретения применим для способа с самоотпаркой, при осуществлении которого газообразный СО₂ для отпарки не требуется.

Секция синтеза установки для получения мочевины в основном включает по меньшей мере один реактор, один отпарной аппарат и один конденсатор, образующие контур высокого давления. В соответствии с вариантами осуществления изобретения жидкий СО₂ подают в реактор и (или) в конденсатор вышеуказанного контура высокого давления секции синтеза. Жидкий СО₂ предпочтительно подают в реактор и (или) в конденсатор, так как вышеуказанные устройства во время работы уже содержат жидкость.

В частности, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения весь жидкий СО₂ направляется в реактор. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения весь жидкий СО₂ направляется в конденсатор; в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения жидкий СО₂ частично направляется в реактор и частично - в конденсатор. Во всех вышеуказанных вариантах осуществления изобретения возможен дополнительный ввод газообразного СО₂. При осуществлении способа с самоотпаркой дополнительный ввод газообразного СО₂ является необязательным и предпочтительно осуществляется в реактор; при осуществлении способа с отпаркой с использованием СО₂ подача газообразного СО₂ необходима и осуществляется в отпарной аппарат.

В соответствии с другой особенностью изобретения подаваемый жидкий диоксид углерода смешивают по меньшей мере с частью подаваемого жидкого аммиака; затем полученную смесь подают в реактор и (или) конденсатор секции синтеза.

Объектом изобретения является также установка для получения мочевины вышеуказанным способом, включающая по меньшей мере:

- секцию синтеза;

- средства подачи, обеспечивающие ввод свежего аммиака и ввод свежего диоксида углерода в вышеуказанную секцию синтеза;

отличающаяся вышеуказанными средствами подачи, предназначенными для подачи в секцию синтеза по меньшей мере части диоксида углерода в жидкой фазе.

Средства подачи предпочтительно включают средства для смешивания, предназначенные для смешивания по меньшей мере части жидкого аммиака с жидким диоксидом углерода и подачи полученной таким образом смеси в соответствующее устройство секции синтеза.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения вышеуказанные средства для смешивания включают так называемый Т-образный смеситель или насадку; вышеуказанная насадка предпочтительно имеет одну часть с отдельными коаксиальными проходами для жидкого диоксида углерода и жидкого аммиака и вторую часть, работающую в качестве зоны смешения жидкого диоксида углерода и аммиака. В частности, этот смеситель имеет внутренний проход с сужающимся выходным каналом, в основном соответствующим сужающейся части внешнего прохода, обеспечивая, таким образом, зону смешения с уменьшающимся в осевом направлении поперечным сечением. После зоны смешения в насадке следует часть с постоянным поперечным сечением и расширяющаяся часть для снижения скорости потока жидкости.

Другим объектом изобретения является способ повышения эффективности действующей установки для получения мочевины, отличающийся тем, что обеспечивают дополнительные средства, предназначенные для подачи в секцию синтеза по меньшей мере части диоксида углерода в жидкой фазе.

В соответствии с первым вариантом осуществления вышеуказанного способа установку с отпаркой с использованием СО₂ реконструируют, сохраняя имеющиеся средства подачи газообразного СО₂ в отпарной аппарат и обеспечивая дополнительные средства подачи жидкого диоксида углерода в реактор и (или) в конденсатор контура ВД.

В другом варианте осуществления способа установку с самоотпаркой реконструируют, заменяя имеющиеся средства подачи газообразного СО₂ средствами подачи жидкого СО₂, обладающими признаками изобретения. Последние могут быть использованы для подачи в реактор и (или) в конденсатор в контуре ВД.

Средства подачи жидкого диоксида углерода, используемые при осуществлении вышеуказанного способа повышения энергоэффективности действующей установки для получения мочевины, предпочтительно включают смеситель, описанный выше. В соответствии с эквивалентными особенностями изобретения новые средства подачи предусмотрены для подачи жидкого диоксида углерода в реактор и (или) в конденсатор секции синтеза.

В соответствии с по существу известным уровнем техники во всех вышеописанных вариантах осуществления изобретения могут быть предусмотрены соответствующие средства для сжижения диоксида углерода и подачи его насосом.

Следует также отметить, что при необходимости реакцию, отпарку и конденсацию равным образом можно осуществлять в одном устройстве или параллельно в нескольких устройствах.

Настоящее изобретение имеет много преимуществ по сравнению с известным уровнем техники.

Установлено, что подача в секцию синтеза по меньшей мере части диоксида углерода в жидком состоянии при осуществлении способа приводит к неожиданному повышению энергоэффективности.

Следует обратить внимание на то, что реакция образования мочевины происходит в жидкой фазе, содержащей карбамат. При осуществлении известных способов на установках известного уровня техники жидкий аммиак и газообразный СО₂, поступающие в реактор, а именно в зону реакции внутри реактора, смешивают с целью установления тесного контакта между двумя фазами (т.е. между жидкостью и газом) и обеспечения массо- и теплопередачи между вышеуказанными реагентами. Однако выход реакции ограничен скоростью массопередачи из газовой фазы в жидкую фазу, в которой фактически протекает реакция.

Настоящее изобретение устраняет это ограничение путем подачи обоих реагентов - аммиака и СО₂ - в жидкой фазе, в результате чего выход больше не ограничивается массопередачей из газовой фазы в жидкую фазу. Другими словами, реагенты смешивают в реакционной зоне более эффективным способом, обеспечивая преимущества также с точки зрения выхода реакции.

Следует также отметить, что расход электроэнергии для многоступенчатого компрессора диоксида углерода (необходимого на известных установках) снижается или даже отсутствует, так как подача жидкого СО₂ насосом требует меньшего расхода электроэнергии, чем сжатие газообразного СО₂. На установке с отпаркой с использованием СО₂ количество сжимаемого газообразного СО₂ уменьшается, так как часть СО₂ подают в жидком состоянии; на установке с самоотпаркой компрессор больше не нужен и весь вводимый СО₂ можно в жидком виде подавать насосом в секцию синтеза. Снижение энергопотребления компенсирует дополнительный расход энергии и затраты на оборудование, необходимые для сжижения и подачи СО₂ насосом.

Дополнительные возможности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из приведенного ниже не ограничивающего описания вариантов его осуществления, представленного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

Краткое описание чертежей

фиг.1 - общая блок-схема установки для получения мочевины, предлагаемой в изобретении,

фиг.2 и 3 - упрощенные схемы контура высокого давления установки с самоотпаркой для получения мочевины в соответствии с вариантами осуществления изобретения,

фиг.4 и 5 - упрощенные схемы контура высокого давления установки для получения мочевины с использованием СО₂ для отпарки в соответствии с вариантами осуществления изобретения,

фиг.6 - изображение в упрощенном виде поперечного сечения насадки для подачи смешанного потока жидкого аммиака и диоксида углерода в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Как видно из фиг.1, установка для получения мочевины включает секцию 100 синтеза, работающую под высоким давлением, секцию 200 извлечения мочевины и, возможно, секцию 300 очистки. Фиг.1 в основном относится к установке для получения мочевины, например, с самоотпаркой, с отпаркой с использованием СО₂ или с использованием другого способа.

В секцию 100 синтеза по входному трубопроводу 101 подают свежий жидкий аммиак и одновременно по трубопроводу 102 - свежий жидкий диоксид углерода. При необходимости может быть предусмотрен дополнительный входной трубопровод 103 для ввода газообразного СО₂, например, если установка работает по способу с отпаркой с использованием СО₂ и секция 100 включает отпарной аппарат, в который поступает вводимый газообразный диоксид углерода.

Трубопровод 102 соединен с соответствующими средствами для получения жидкого диоксида углерода, которые по существу известны и поэтому подробно не описаны.

Аммиак и диоксид углерода являются реагентами для реакции получения мочевины, которая осуществляется в вышеуказанной секции 100 синтеза. В секции 100 синтеза получают водный раствор, содержащий мочевину, карбамат и непрореагировавший аммиак, и по трубопроводу 104 подают его в секцию 200 извлечения мочевины; в секции 200 получают раствор, содержащий рецикловый карбамат и аммиак, который по трубопроводу 105 рециркулирует в секцию синтеза.

Секция 200 извлечения мочевины соединена посредством напорных трубопроводов 201, 202 с секцией 300 очистки, в которой получают мочевину, а раствор карбамата и аммиака возвращают в секцию извлечения. Очищенную мочевину U сливают по трубопроводу 301.

Секции 200 и 300 являются обычными и не существенными для раскрытия настоящего изобретения, поэтому не будут описаны подробно.

Как видно из фиг.2, на нем показаны основные элементы секции 100 синтеза на установке с самоотпаркой в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.

Контур ВД в основном включает реактор 110, отпарной аппарат 112 и конденсатор 114. Отпарной аппарат 112 представляет собой, например, вертикальный кожухотрубный теплообменник с паровым обогревом, тогда как конденсатор 114 является горизонтальным кожухотрубным теплообменником.

В реакторе 110 получают раствор, в основном содержащий мочевину, карбамат и непрореагировавший аммиак, и по напорному трубопроводу 120 направляют его из верхней части реактора 110 в отпарной аппарат 112.

Выходящую из отпарного аппарата 112 жидкую фазу, содержащую карбамат и мочевину, по напорному трубопроводу 121 направляют в секцию извлечения/очистки (не показана). Газообразную фазу из отпарного аппарата 112 по трубопроводу 122 подают в конденсатор 114. Поступающий из секции извлечения рецикловый карбамат по трубопроводу 123 также подают в конденсатор 114.

Продукт, выходящий из конденсатора 114, не считая незначительного количества инертных газов, представляет собой жидкую смесь, которую направляют в сепаратор 116 карбамата (напорный трубопровод 127) и с помощью эжектора 118, приводимого в действие за счет подачи жидкого аммиака, возвращают в реактор 110. Инертные газы удаляются из сепаратора 116 через трубопровод 129, а жидкую фазу по напорному трубопроводу 128 подают в эжектор 118, в который поступает также свежий аммиак из трубопровода 101. Затем поток, состоящий в основном из свежего аммиака и рециклового карбамата, по трубопроводу 126 подают в реактор 110.

Жидкий диоксид углерода подают в реактор 110 из подводящего трубопровода 102 и по трубопроводу 124. Дополнительный напорный трубопровод 125 обеспечивает подачу в конденсатор 114 жидкого СО₂, который в трубной зоне конденсатора смешивается с газовой фазой, поступающей из отпарного аппарата и рецикловым карбаматом. Таким образом, жидкий СО₂ частично подают в реактор 110 по трубопроводу 124, а частично - в конденсатор 114 по трубопроводу 125, расположенному параллельно трубопроводу 124.

В других вариантах осуществления изобретения (не показаны) все количество жидкого СО₂ подают либо в реактор 110, либо в конденсатор 114.

Кроме того, в реактор 110 может быть предусмотрен дополнительный ввод СО₂, но в газовой фазе. Однако на установках с самоотпаркой рекомендуется все количество диоксида углерода подавать в реактор и (или) конденсатор в жидкой фазе, как показано на фиг.2.

В соответствии с вариантом, показанным на фиг.3, часть жидкого аммиака по напорному трубопроводу 101а подают для приведения в действие эжектора 118, а другую часть жидкого аммиака по напорному трубопроводу 101b подают в смеситель 150, в котором жидкий аммиак смешивают с жидким диоксидом углерода из трубопровода 102 и полученную жидкую смесь по напорным трубопроводам 124 и 125 направляют в реактор 110 и конденсатор 114. Как указано выше, в других вариантах осуществления изобретения предусмотрена подача смеси, полученной в смесителе 150, только в реактор 110 или только в конденсатор 114; кроме того, в реактор 110 может быть предусмотрен дополнительный ввод газообразного СО₂.

На фиг.4 показано применение настоящего изобретения для установки с отпаркой с использованием СО₂. Контур ВД включает реактор 130, отпарной аппарат 132 и кожухотрубный конденсатор 134.

В реакторе 130 получают раствор, содержащий мочевину, карбамат и аммиак, и по трубопроводу 140 подают его в отпарной аппарат 132. В вышеуказанный отпарной аппарат 132 по напорному трубопроводу 103 и с помощью компрессора 137 подают газообразный СО₂, являющийся средством для отпарки.

Газообразный СО₂ действует как средство для отпарки, способствующее разложению карбамата аммония. Жидкую фазу из отпарного аппарата 132, включающую частично очищенный раствор мочевины, по напорному трубопроводу 141 направляют в секцию извлечения/очистки, тогда как газовую фазу по трубопроводу 142 подают в конденсатор 134.

Газ из верхней части реактора 130 по трубопроводу 145 подают в скруббер 136; этот газ в скруббере 136 подвергают абсорбции разбавленным раствором рециклового карбамата, поступающим из секции извлечения мочевины по трубопроводу 149.

Жидкую фазу из скруббера 136 направляют в эжектор 135, приводимый в действие жидким аммиаком, поступающим из трубопровода 101; выходящий из эжектора 135 поток, содержащий свежий исходный аммиак и рецикловый карбамат, по напорному трубопроводу 146 направляют в конденсатор 134.

Жидкую и газовую фазу из конденсатора 134 раздельно подают в реактор 130 по напорным трубопроводам 143 (газ) и 144 (жидкость).

В соответствии с вариантами осуществления изобретения жидкий диоксид углерода подают либо в реактор 130, либо в конденсатор 134 или и в реактор, и в конденсатор. На фиг.4 представлен вариант, при осуществлении которого по напорным трубопроводам 147 и 148, соответственно, часть жидкого СО₂ подают в реактор 130, а другую часть жидкого СО₂ - в конденсатор.

Как видно из варианта, представленного на фиг.5, в трубопроводе для подачи жидкого СО₂ установлен смеситель 150, а жидкий аммиак по напорным трубопроводам 101а и 101b подают в эжектор 135 и в вышеуказанный смеситель 150. Таким образом, часть исходного жидкого аммиака используют для питания эжектора, а другую часть смешивают с жидким диоксидом углерода. Смесь аммиака и диоксида углерода, полученную в смесителе 150, подают либо в реактор, либо в конденсатор, или одновременно и в реактор, и в конденсатор.

Следует обратить внимание на то, что фиг.2-5 представляют собой упрощенные схемы, так что детали и вспомогательные устройства (например, насосы, трубопроводная арматура и т.д.), хорошо известные специалисту в данной области техники, не показаны. Следует также заметить, что вышеуказанные схемы дают возможность для осуществления многих вариантов, также хорошо известных в данной области техники.

Как видно из фиг.6, в предпочтительном варианте осуществления изобретения смеситель 150 представляет собой насадку, включающую внешний проход 151 для жидкого аммиака и внутренний коаксиальный проход 152 для жидкого СО₂. Жидкий аммиак проходит в кольцевом пространстве вокруг прохода 152 и хорошо смешивается с жидким СО₂, выходящим из прохода 152. Проход 152 имеет сужающуюся выходную часть 153, соответствующую сужающейся части 154 внешнего прохода. Сужающаяся часть 154, уменьшая поперечное сечение насадки, обеспечивает ускорение потока жидкости и улучшает смешивание жидкого аммиака и СО₂. Таким образом, между проходами 151 и 152, вокруг и на стороне выходной части 153 внутреннего прохода, образуется зона для смешивания с уменьшающимся поперечным сечением.

Следующая часть 155 с постоянным поперечным сечением предусмотрена для расширения потоков. За частью 155 следует расширяющаяся выходная часть 156, в которой скорость смешанного потока снижается.

Насадка 150 может быть установлена, например, на стороне входа в реактор 110 или конденсатор 114, так что смесь жидкого аммиака и СО₂ подают в вышеуказанный реактор или конденсатор.

Настоящее изобретение в равной степени применимо ко многим различным установкам для получения мочевины, включая те, которые могут быть приведены в соответствие с основной блок-схемой фиг.1. Изобретение также может быть использовано для модернизации действующей установки для получения мочевины, на которой в дополнение к имеющимся средствам подачи газообразного СО₂ или вместо них обеспечивают средства подачи жидкого СО₂.